Ультратонкие солнечные элементы с использованием двумерных перовскитов получают новые преимущества

Рисовая лаборатория обнаружила, что комплекс перовскита 2D содержит правильные ингредиенты, чтобы бросить вызов более крупным продуктам.

Инженеры Университета Райса установили новый стандарт в разработке солнечных элементов с атомарной толщиной, изготовленных из перовскитных полупроводников, что повысило их эффективность и при этом оставалось безвредным для окружающей среды.

Лаборатория Адитьи Мохите Инженерной школы Джорджа Брауна в Райсе обнаружила, что солнечный свет сам сжимает пространство между атомными слоями в двумерном перовските в достаточной степени, чтобы повысить эффективность фотоэлектрических материалов до 18%, что является ошеломляющим шагом в области, где прогресс часто измеряется в долях процента.

«За 10 лет эффективность перовскита выросла с 3% до более чем 25%», — сказал Мохети. Другим полупроводникам потребовалось около 60 лет, чтобы достичь этого. Вот почему мы так взволнованы. «

Поиск появляется в Природные нанотехнологии.

Перовскиты представляют собой соединения с кубической кристаллической решеткой и являются высокоэффективными оптическими сборщиками. Об их потенциале известно уже много лет, но они представляют собой дилемму: они хорошо преобразуют солнечный свет в энергию, но солнечный свет и влага их разлагают.

«Ожидается, что технология солнечных элементов будет работать в течение 20-25 лет», — сказал Мохит, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии, материаловедения и наноинженерии. «Мы работали много лет и продолжаем работать с большим количеством перовскитов, которые являются высокоэффективными, но нестабильными. Напротив, 2D-перовскиты обладают огромной стабильностью, но недостаточно эффективны для размещения на поверхности.

«Большой вопрос состоял в том, чтобы сделать его эффективным без ущерба для стабильности», — сказал он.

Инженеры и сотрудники Райс из Purdue и Северо-Западного университетов, Национальных лабораторий Лос-Аламоса, Аргонна и Брукхейвена Министерства энергетики США и Института электроники и цифровых технологий (INSA) в Ренне, Франция, обнаружили, что в некоторых двумерных перовскитах солнечный свет эффективно сокращается. Расстояние между атомами, улучшающее их способность проводить ток.

Сирадж Седик, аспирантка Университета Райса, готовится к вращению субстрата с компаундом, который замерзает в двумерном перовските. Инженеры Rice обнаружили, что перовскитовые дисплеи перспективны для эффективных и надежных солнечных элементов. Предоставлено: Джефф Фитлоу / Университет Райса.

«Мы обнаружили, что когда вы зажигаете материал, вы сжимаете его, как губку, и соединяете слои вместе, чтобы улучшить передачу заряда в этом направлении», — сказал Мохит. Исследователи обнаружили наслоение органических катионов между йодидом наверху и улучшение взаимодействия между слоями внизу.

«Эта работа имеет важное значение для изучения возбужденных состояний и квазичастиц, в которых положительный заряд на одном слое и отрицательный заряд на другом могут взаимодействовать друг с другом», — сказал Мохит. «Это так называемые экситоны, которые могут обладать уникальными свойствами.

«Этот эффект дал нам возможность понять и адаптировать эти основные взаимодействия света и вещества без создания сложных гетерогенных структур, таких как двумерные дихалькогениды переходных металлов», — сказал он.

Эксперименты были подтверждены компьютерными моделями коллег из Франции. «Это исследование предоставило уникальную возможность объединить современные методы моделирования, физические исследования с использованием крупномасштабных национальных синхротронных установок и определение характеристик действующих солнечных элементов на месте», — сказал Джеки Эвен, профессор физики INSA. «В статье впервые показано, как явление фильтрации внезапно запускает ток заряда в перовскитном материале».

Вэньбинь Ли, аспирант Университета Райса, готовит 2-мерный перовскитовый солнечный элемент для тестирования на солнечном симуляторе. Инженеры Rice повысили эффективность перовскитных ячеек 2D, сохранив при этом их прочность. Предоставлено: Джефф Фитлоу / Университет Райса.

Оба результата показали, что после 10 минут пребывания под солнечным симулятором с плотностью одного солнца двумерный перовскит сократился на 0,4% в длину и примерно на 1% сверху вниз. Они показали, что эффект можно увидеть на одну минуту ниже интенсивности пятого солнца.

«Кажется, это не так уж и много, но это сокращение на 1% шага решетки приводит к значительному усилению потока электронов», — сказал Венбин Ли, аспирант Райс и соавтор книги. «Наши исследования показывают трехкратное увеличение электронной проводимости материала».

В то же время характер сетки сделал материал менее подверженным повреждениям даже при нагревании до 80 градусов. Цельсия (176 градусов F). Исследователи также обнаружили, что решетка быстро вернулась к своей нормальной форме после выключения света.

«Одно из главных преимуществ двумерных перовскитов заключается в том, что они обычно содержат органические атомы, которые действуют как барьеры для влаги, являются термически стабильными и решают проблемы миграции ионов», — сказал Сирадж Сиддик, аспирант и соавтор. «3D-перовскиты подвержены тепловой и световой нестабильности, поэтому исследователи начали накладывать 2D-слои поверх перовскита, чтобы посмотреть, смогут ли они получить лучшее из двух.

«Мы подумали:« Давайте просто перейдем только к 2D и сделаем его функциональным », — сказал он.

Аспирант Университета Райса Венбин Ли, инженер-химик и биомолекуляр Адитья Мохит и аспирант Сирадж Сидхик руководили проектом по производству двумерного армированного перовскита для эффективных солнечных элементов. Предоставлено: Джефф Фитлоу / Университет Райса.

Чтобы отслеживать сжатие материала в действии, команда использовала два пользовательских объекта Управления науки Министерства энергетики США (DOE): Национальный синхротронный источник света II в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики и усовершенствованный источник фотонов. (APS) в Аргоннском национальном министерстве энергетики. Лаборатория.

Аргоннский физик Джо Стрзалка, соавтор статьи, использовал сверхъяркие рентгеновские лучи APS для фиксации небольших структурных изменений в материале в режиме реального времени. Чувствительные инструменты в Beamline 8-ID-E позволяют APS выполнять «оперативные» исследования, то есть те, которые проводятся в то время, когда прибор подвергается контролируемым изменениям температуры или окружающей среды в нормальных рабочих условиях. В этом случае Стржалка и его коллеги экспонировали фотоактивный материал солнечного элемента, чтобы имитировать солнечный свет, сохраняя при этом постоянную температуру, и они наблюдали небольшие сокращения на атомном уровне.

В качестве контрольного эксперимента Стржалка и его коллеги также поддерживали темноту в комнате и повышали температуру, заметив обратный эффект — расширение материала. Это показало, что преобразование вызвал сам свет, а не выделяемое им тепло.

«Для таких изменений важно заниматься оперным этюдом», — сказал Стшалка. «Точно так же, как ваш механик хочет запустить ваш двигатель, чтобы увидеть, что происходит внутри, мы в основном хотим снять видео этой смены, а не единичный снимок. Такие утилиты, как APS, позволяют нам это делать».

Стржалка отметил, что APS находится в процессе серьезной модернизации, которая увеличит яркость рентгеновского излучения до 500 раз. По его словам, после завершения, более яркие лучи и более быстрые и четкие детекторы улучшат способность ученых обнаруживать эти изменения с большей чувствительностью.

Это может помочь команде Rice модифицировать материалы для повышения производительности. «Мы на пути к достижению более 20% эффективности за счет инженерных катионов и интерфейсов», — сказал ваш друг. «Это изменит все в области перовскита, потому что тогда люди начнут использовать перовскит 2D для синонимов перовскита / кремния 2D и перовскита 2D / 3D, что может обеспечить эффективность, близкую к 30%. Это сделает его привлекательным для маркетинга».

Ссылка: «Светоактивированная межслойная усадка в двумерном перовските для высокоэффективных солнечных элементов» Венбин Ли, Сирадж Седдхик, Бубакар Траоре, Реза Асадпур, Джин Хо, Хао Чжан, Остин Вер, Джозеф Эйсманн, Яффи Ван и Джастин М. . Хоффман, Иоаннис Спанопулос, Джаред Дж. Кроше, Эстер Цай, Джозеф Стрзалка, Клодин Каттан, Мухаммед А. Алам, Меркьюри Дж. Канатзидис, Джеки Эвен, Жан-Кристоф Бланкон и Адитья Д. Мохти, 22 ноября 2021 г., доступно здесь. Нанотехнологии природы.
DOI: 10.1038 / s41565-021-01010-2

Соавторами статьи являются аспиранты Райс Джин Хо, Хао Чжан и Остин Фер, студент Джозеф Истман и студентка по обмену Яффе Ван, а также соавтор Жан-Кристоф Бланкун, старший научный сотрудник лаборатории Мохита; Бубакар Траоре, Клодин Каттан из INSA; Реза Асадпур и Мухаммад Алам из Бордо; Джастин Хоффман, Иоаннис Спанопулос и Меркьюри Канатзидис с северо-запада; Джаред связан крючком из Лос-Аламоса, а Эстер Цай — из Брукхейвена.

Исследовательский офис армии, Академический институт Франции, Национальный научный фонд (20-587, 1724728), Управление военно-морских исследований (N00014-20-1-2725) и Управление науки Министерства энергетики (AC02-06CH11357) поддержали исследования.